核试验 地质 减缓 安全

美国地质调查局报告

非机密报告编号 01-28

关于在大型空腔中进行地下核试验并实现爆炸减缓（隔离）的工程与地质限制可行性分析

威廉·莱思博士
美国地质调查局，弗吉尼亚州雷斯顿 20192

美国内政部

地质问题分析

直到最近，该报告仍可从美国地质调查局（USGS）网站的出版物中下载，网址为：

http://geology.er.usgs.gov/eespteam/pdf/USGSOFR0128.pdf

该报告现已不存在，甚至在USGS的数据库（http://search.usgs.gov/）中也已无法找到。

此处提供一份安全备份：http://membres.lycos.fr/atar/Archives/Report01_28.pdf

我们非常幸运地得到了克里斯托夫·朱迪奇的谨慎保存。这份文件是“秘密核试验”档案中的关键材料。该档案在2003年初我与安托万·朱迪塞利的上诉案中提交给了法官，导致我因诽谤罪被定罪。在庭审中，当法官要求“直击问题核心”时，我对此文件进行了充分阐述。但判决书中并未提及此事。参见判决书。另请参阅对判决的评论。

以下是该报告内容的简要概述。

前期工作

在过去40年里，美国地质监测办公室一直致力于全球核试验的监控，并确保相关条约得到遵守。

• 核爆炸探测系统——主要关注国外试验对地表及环境的影响——试验地点定位
• 对所谓“和平目的核试验”的评估
• 核爆炸与天然地震及采矿爆炸引起的地震效应的比较研究
• 参与核试验限制条约的制定
• 建立地震数据库以促进核爆炸探测——区分核爆炸与地震信号
• 研究地壳中地震波的衰减特性
• 研究多孔土壤在不同深度下的天然衰减能力（Matzko, 1995）
• 研究适合设置衰减装置的天然空腔，重点集中在盐穹或盐层区域，或适合开挖大型地下洞穴的区域

一种衰减（隔离）情景

《全面禁止核试验条约》（CTBT）的一个主要障碍是评估各国秘密进行核试验的可能性，即能够避开常规探测系统的监测。可能的方案包括：

• 在太空中引爆核装置
• 在地震发生期间引爆
• 在具有天然衰减特性的介质中引爆
• 在远离大陆的海洋区域引爆
• 在地球大气层中引爆，但当时云层非常浓厚
• 通过在足够大且深度合适的空腔中引爆，以避免被探测到

所有这些方法都经过了深入研究，相关论文众多（Herbst & Werth, 1980；Glenn & Goldstein, 1994；Sykes, 1995；Linger et al., 1995）。

自1959年阿尔伯特·拉特首次提出在空腔中引爆核装置以实现信号衰减以来（Latter et al., 1961），人们已投入大量工作，试图从理论上建模这一现象。美国和苏联曾进行过在衰减条件下进行核试验的实践，相关记录见Springer et al., 1968；Murphy & al., 1995；Reinke, 1995。

1988年，研究得出结论：对于超过10千吨当量的爆炸，监测是可行的；而在此当量以上，无法消除地震信号。

当爆炸当量低于1至2千吨时，研究认为在花岗岩、冲积层或盐沉积层等介质中，可以违反条约进行试验，而现有技术无法可靠探测此类试验。

在上述两个范围之间（即10千吨以上或1千吨以下），若采用衰减技术，探测将变得极为困难。

本文旨在综述在空腔中引爆以实现衰减的技术（Sykes, 2000）。该综述主要针对充满空气的空腔。但其他衰减方法也已被考虑，例如使用多孔、蜂窝状材料，在爆炸时可被压碎以吸收能量。研究已证明，在孔隙率达5%至20%的多孔岩石中进行地下核试验是可行的。例如在卡拉哈里地区，孔隙率可超过20%。

以下为实现隐蔽核爆炸的关键条件：

• 地震信号必须低于监测仪器的探测阈值
• 试验深度必须足够深，以确保爆炸后放射性产物被有效封闭，使放射性探测系统无法将其与自然信号区分开来
• 试验场地的建设必须能规避卫星监控

椭球形空腔中的衰减

美苏两国曾在长宽比达4:1的空腔中使用高威力化学炸药进行了多次试验。苏联的试验于1960年在吉尔吉斯进行。1994年，美国在新墨西哥州的马格达莱纳也进行了类似试验。这些试验旨在验证预测模型的准确性。

盐岩与花岗岩中的衰减系数

根据1988年美国技术评估办公室（OTA）发布的报告，直径为25米的球形空腔（在盐岩中）和20米的球形空腔（在花岗岩中），在825米深度下，可对1千吨当量的爆炸提供足够的衰减。Sykes（1995）认为这些评估值应适当上调，但调整幅度不大，因此这些数值仍具有参考意义。

地下空腔建设的环境条件

在空腔中进行爆炸衰减需要较大空间，且无需支撑柱。为最大限度降低被探测的可能性，需考虑以下因素：

• 环境地质调查
• 事先掌握在该类地质条件下操作的可行性数据
• 土壤稳定性数据
• 衰减效率
• 与反应产物封闭相关的特性
• 工程隐蔽性
• 成本

在盐岩中建造洞穴

中等深度（100–1500米）的盐岩沉积层具有理想的衰减与封闭特性，这得益于盐岩的流变学性质。盐岩在短时载荷下保持致密，而在长时间内则表现出塑性和不透水性。美国和苏联曾在盐岩中建造的空腔内进行了低信号地下核试验，当量达10千吨。1999年，Davis与Sykes得出结论：在盐岩中进行地下核试验是国家实施隐蔽核试验最便捷的方式。

石油工业及能源领域已挖掘了成千上万个此类洞穴，用于储存原油、丙烷、丁烷、乙烯以及压缩空气。根据Kedrovskiy（1974）的记载，苏联也利用核爆炸在地下创建了大量此类洞穴。

尽管全球范围内存在大量盐岩沉积，但具备足够厚度的盐层数量有限。这些盐层通常夹在碳酸钙（CaCO₃）、石膏（CaSO₄·2H₂O）和无水钾盐（sylvite）层之间。普通盐为氯化钠（NaCl）。盐层厚度从几米到数百米不等。此外还有“盐穹”结构。

（……）

开挖技术、洞穴尺寸……稳定性

盐岩层厚地区：

中国 多处
法国 多处
印度 仅限库马昂地区，深度与厚度未知
伊朗 多处
伊拉克 多处
以色列 有限地点，集中在死海周边，厚度与深度未知
利比亚 仅限东部，与突尼斯接壤，厚度与深度未知
克里米亚 无数据
巴基斯坦 仅限萨戈达地区
俄罗斯 多处
英国 有限
美国 多处

直径达两百万立方米的盐穹空腔极为罕见，但人工开挖的洞穴最大已达一千七百万立方米。

以下是不同当量下所需空腔半径与体积的对应数据：

建设成本……

在硬岩中开挖洞穴

已建成多个直径达30米、无支撑的球形空腔。

法国Duffaut于1987年发表了关于大型洞穴的数据。

（文中提及的开挖记录）最大尺寸可达70米。目前已知最大的天然洞穴位于印度尼西亚，尺寸达400米。法国有一处洞穴跨度达230米，总体积达一千一百万立方米。

……后续页面讨论了在不同材料中开挖洞穴的可行性。已有专门的“Djumbo”机械被设计用于此类开挖作业。报告还提供了在硬岩中为实现完全衰减所需洞穴的直径与体积数据。

1千吨当量需20米直径

接下来讨论核反应产物的封闭问题，并回顾了相关核试验（表6），包括当量、日期、地质类型、深度等信息。

随后给出估算深度的近似公式。还讨论了封闭问题。

……

法国试验情况：

回顾法国试验数据。射击深度以“每千吨当量对应米数”表示，即：

米数 ×（当量，千吨）¹/³

在太平洋进行的140次试验中，121次（86%）未发生放射性物质排放。

在8.4%的试验中（其余试验），形成了由爆炸空腔坍塌导致的通道。

解释：在未预先开挖的空腔中引爆，且不刻意追求隐蔽性时，爆炸会将周围岩壁熔融。对于1千吨当量的爆炸，会在炸弹容器周围形成一个体积不超过几十立方米的腔室。该腔室迅速充满高温高压气体。部分气体可渗入周围介质，取决于其孔隙度。随后气体冷却，对岩石产生拉力，引发向上传播的坍塌。这一现象在内华达沙漠形成了典型的爆炸中心凹陷。在冲积层中，这种坍塌通常不会造成特殊问题。但在法国试验中，这种坍塌在8.4%的情况下发生，并伴随裂隙，可能导致放射性氚、锶和铯渗入喀斯特岩石及海水。另有4次试验（3%）在喀斯特层中检测到氚，尽管排放物未到达地表。

讨论：

超过10千吨……

……（与我们无关）

低于1千吨：

只要在空腔中引爆，且空腔直径达到：

盐岩中25米

硬岩中20米

即可实现对1千吨当量以下爆炸的完全衰减。

全球范围内存在大量此类空腔，或已被各国开挖。其开挖不存在不可逾越的技术难题，且成本相对于核武器研发本身而言极低。

接下来是封闭问题。盐岩效果最佳。其次则视具体情况而定。在